論巖溶區(qū)公路地質(zhì)選線

陳云生，鄧勝?gòu)?qiáng)，覃家琪

(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

巖溶是高速公路工程建設(shè)中最主要的不良地質(zhì)之一，其對(duì)公路的影響主要表現(xiàn)在路基塌陷、橋梁樁基失穩(wěn)、隧道突水涌泥等。由于巖溶地質(zhì)條件的不確定性、復(fù)雜性以及線路選取的不合理，高速公路工程在施工和運(yùn)營(yíng)時(shí)可能會(huì)遭遇各種巖溶地質(zhì)災(zāi)害的侵?jǐn)_，給國(guó)民生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。根據(jù)最新統(tǒng)計(jì)，我國(guó)約80%的巖溶區(qū)高速公路在施工或運(yùn)營(yíng)過程中發(fā)生過較大災(zāi)害，至今仍有約30%的隧道仍處于巖溶災(zāi)害的威脅中[1]。因此，如何在地質(zhì)選線過程中預(yù)判及避開可能出現(xiàn)的巖溶災(zāi)害顯得尤為重要。本文收集了廣西區(qū)內(nèi)巖溶地區(qū)高速公路地質(zhì)選線的基礎(chǔ)資料，并以廣西區(qū)內(nèi)高速公路為工程實(shí)例，得出了巖溶地區(qū)公路地質(zhì)選線的基本原則，總結(jié)分析了巖溶地區(qū)公路地質(zhì)選線要點(diǎn)。

1 巖溶地區(qū)公路地質(zhì)選線一般原則

(1)巖溶地質(zhì)選線應(yīng)在路線設(shè)計(jì)中占主導(dǎo)地位，要考慮局部與整體相結(jié)合，如避開局部巖性交接帶與構(gòu)造等地質(zhì)薄弱帶，同時(shí)也要顧全路線的整體設(shè)計(jì)，如以重要城市、互通、橋梁、隧道等的位置作為選線基準(zhǔn)[2]。

(2)路線方案必須經(jīng)過經(jīng)驗(yàn)豐富、從事公路行業(yè)的專業(yè)地質(zhì)工程師認(rèn)真勘測(cè)，尤其是對(duì)巖溶發(fā)育區(qū)要加強(qiáng)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)繪，防害興利，避重就輕，總結(jié)項(xiàng)目所在區(qū)不良地質(zhì)的分布范圍及分布規(guī)律，為路線布置提供地質(zhì)依據(jù)。

(3)巖溶區(qū)地質(zhì)選線應(yīng)進(jìn)行多方案比選，選線過程中應(yīng)與各專業(yè)緊密配合溝通。

(4)巖溶公路選線應(yīng)重視橋梁、隧道等重大工程的方案選擇，對(duì)巖溶山區(qū)公路選線可能出現(xiàn)工程病害的高填深挖或巖溶發(fā)育密集的路段，應(yīng)與橋隧比選后，綜合考慮經(jīng)濟(jì)、安全、工期、環(huán)保及施工難度等因素?fù)駜?yōu)選用。

2 巖溶地區(qū)公路地質(zhì)選線要點(diǎn)

2.1 路線應(yīng)避開可溶性巖與非可溶性巖的接觸帶

可溶性巖一般溶蝕強(qiáng)烈，屬?gòu)?qiáng)透水層，遇到弱透水層阻擋時(shí)，地下水將在兩巖性接觸面大量匯集，成為巖溶發(fā)育的基本條件之一。若受區(qū)域性構(gòu)造的影響，接觸帶巖體破碎，有利于地下水流動(dòng)，使得接觸帶具備良好的循環(huán)交替(補(bǔ)給、徑流、排泄)條件，常發(fā)育于與接觸帶走向相同的縱向暗河，并與碳酸鹽巖一側(cè)的分支暗河相連。線路應(yīng)避免經(jīng)過接觸帶及其附近，非要通過則時(shí)應(yīng)以大交角穿過。

圖1 灌全高速公路K17+000～K17+500段巖溶路基示意圖

如灌陽(yáng)(永安關(guān))至全州(鳳凰)高速公路K17+000～K17+500段挖方路基在施工過程中揭露出了廳堂式溶洞(圖1)，巖溶發(fā)育區(qū)位于泥盆系泥頁(yè)巖、砂巖與石炭系灰?guī)r的接觸帶，地下水豐富，有泉水出露，揭露出的溶洞基本沿著兩巖性的交界面發(fā)育，后期增加超過300萬(wàn)元的處治費(fèi)用。

2.2 路線通過斷層區(qū)時(shí)，應(yīng)垂直斷層帶或選擇斷層下盤通過

斷層破碎帶有利于巖溶發(fā)育，斷裂帶如為張性易于富集、傳導(dǎo)地下水；如為壓性則因巖體過于破碎而為地下水的流通創(chuàng)造條件；當(dāng)為扭性時(shí)兩種可能兼有。路線通過斷層帶時(shí)應(yīng)與之垂直或大角度通過，此時(shí)影響范圍最小，若非要平行通過，應(yīng)優(yōu)先考慮斷層相對(duì)穩(wěn)定的地塊，即斷層的下盤，因?yàn)閿鄬拥纳媳P破碎程度要大于斷層下盤(圖3)。

圖2 柳州經(jīng)合山至南寧高速公路K15+500～K18+500段路線方案示意圖

圖3 柳州經(jīng)合山至南寧高速公路K15+500～K18+500段隧道橫斷面圖

柳州經(jīng)合山至南寧高速公路K15+500～K18+500段線位有西線和東線兩方案(圖2)，兩方案均存在隧道，兩隧道間為一區(qū)域性大斷裂，東線位于斷層的上盤，西線位于斷層的下盤，現(xiàn)場(chǎng)地調(diào)發(fā)現(xiàn)斷層周邊巖溶極其發(fā)育，局部見由斷層通往東線方案的地下河，推測(cè)位于斷層上盤的隧道方案存在突水的可能，故設(shè)計(jì)采用了西線方案。

2.3 路線通過褶皺區(qū)時(shí)，隧道應(yīng)避開褶皺核部，路基應(yīng)盡量避開順向坡

褶皺核部節(jié)理裂隙發(fā)育，有利于地下水的流通，特別是向斜軸部更有利于地下水富集。核部地帶水循環(huán)交替強(qiáng)烈，溶蝕作用異常劇烈，常發(fā)育有廳式溶洞及地下暗河等。路線選線時(shí)隧道段應(yīng)力求避開或不與其靠近，宜從兩翼或以大交角從核部通過，挖方路基段宜從逆向坡段或核部大角度穿過。如圖4所示，1和3隧道位置優(yōu)于2和4，挖方5位置要優(yōu)于6。

圖4 褶皺區(qū)隧道、路基選線位置圖

2.4 路線應(yīng)避開地下河或地表河流流經(jīng)區(qū)

地下河或地表河受水影響，周邊一般巖溶極其發(fā)育，路基穩(wěn)定性極差，在研究線路方案時(shí)，優(yōu)先以繞避為宜，其次采用大角度相交形式通過。

圖5 崇左至水口高速公路K10～K17段路線方案示意圖

如崇左至水口高速公路K10～K17段線位(圖5)，該線位初步設(shè)計(jì)階段靠左江展布，現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)存在的巖溶工程地質(zhì)問題有：(1)地表巖溶漏斗、落水洞隨處可見；(2)K13～K16段與一條區(qū)域性地下河呈小角度斜交，屬巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)，工程地質(zhì)條件復(fù)雜；(3)K10+700存在廳堂式溶洞及通往左江的地下暗河，該處為隧道；(4)K11+800與通往左江的地下暗河相交，該處屬高填深挖區(qū)，對(duì)路基穩(wěn)定性差。綜上所述，該段落工程地質(zhì)條件極差，后經(jīng)過優(yōu)化采用了無(wú)隧道、無(wú)高填、遠(yuǎn)離左江并與區(qū)域地下河垂直相交的南線方案。

2.5 巖溶區(qū)隧道設(shè)計(jì)應(yīng)重視水文地質(zhì)調(diào)查，公路隧道應(yīng)位于垂直滲流帶范圍內(nèi)

巖溶水垂直方向可分為四個(gè)帶(圖6)[3]。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，垂直滲流帶屬于風(fēng)險(xiǎn)最小、相對(duì)安全的地帶；水平徑流帶的巖溶管道水最豐富，遇到地下暗河的可能性最大；深部緩流帶由于埋深較大，亦存在水平徑流帶連通的巖溶管道，巖溶水壓大，施工風(fēng)險(xiǎn)高；季節(jié)變動(dòng)帶由于水循環(huán)條件好，巖溶管道及巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，季節(jié)性洪水的危害常有發(fā)生。

圖6 巖溶水垂直分帶示意圖

2.6 路線應(yīng)避開從巖溶洼地、谷地通過

巖溶洼地、谷地屬匯水區(qū)，一般發(fā)育大量的縱向巖溶通道。路基若以填方形式通過時(shí)易堵塞巖溶通道形成積水，需要橋跨或者另設(shè)引水隧道，若以隧道形式通過遇到大型溶洞或突水涌泥的概率比其他路段高。隧道經(jīng)過巖溶洼地或巖溶谷地時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離洼地或谷地并不宜將隧道設(shè)置在洼地順著巖層產(chǎn)狀的一側(cè)，如圖7，C隧道方案優(yōu)于B隧道方案及A隧道方案。

圖7 巖溶洼地、谷地隧道方案示意圖

2.7 路線應(yīng)避開深厚溶余堆積物區(qū)

碳酸鹽巖溶余堆積物區(qū)主要為紅黏土及次生紅黏土，該類土多具高液限、高塑性指數(shù)特征，路線以挖方路基形式通過時(shí)往往造成大量廢方，且根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，挖方邊坡即便放緩至1∶1.75也會(huì)出現(xiàn)大量垮塌，既不環(huán)保，也不安全，更不經(jīng)濟(jì)，故路線應(yīng)避開深挖。

圖8 崇左至水口高速公路K15～K17段路線方案示意圖

如崇左至水口高速公路K15～K17段線位(圖8)，經(jīng)鉆孔揭露，該區(qū)域紅黏土厚約30 m，南線方案雖然線性更好，但廢方比北線方案多40萬(wàn)m3，且邊坡高度最大達(dá)60 m，安全隱患大，經(jīng)比選后，采用了線性更差的北線方案。

2.8 路線應(yīng)避開巖堆、危巖發(fā)育區(qū)

碳酸鹽巖區(qū)大多數(shù)基巖裸露，巖石堅(jiān)硬，自然邊坡高陡，該類邊坡一般節(jié)理裂隙發(fā)育，若在地表風(fēng)化作用、卸荷作用、重力、爆破、地震及水體等誘發(fā)因素作用下成為不穩(wěn)定狀態(tài)便成為危巖。危巖在重力和暴雨作用下易突然下落，形成崩塌，阻礙交通，威脅公路行車及行人安全。對(duì)大規(guī)模的危巖應(yīng)避開，對(duì)小規(guī)模的危巖應(yīng)清除，并采取主被動(dòng)網(wǎng)及棚洞等措施進(jìn)行處治。

危巖崩塌在坡腳后呈松散堆積體-巖堆，堆積體一般由溶余堆積層及透水性較好的塊石、碎石及角礫組成，按粗粒含量又可分為三大類[4]：(1)骨架型巖堆，以巖石塊體為主，含少量的土體；(2)充填型巖堆，堆積體由塊石和土體共同構(gòu)成，塊體間空隙被土體充填；(3)懸浮型巖堆，以土體為主，內(nèi)部懸浮有大量片塊石。巖堆堆積床大多數(shù)為基巖，透水性弱，雨季堆積體與堆積床之間很容易聚水軟化，抗剪強(qiáng)度驟降，開挖坡腳后導(dǎo)致巖堆整體失穩(wěn)，形成滑坡，特別是充填型巖堆及懸浮型巖堆需避開或進(jìn)行抗滑處治。

如河池至百色高速公路K10+210～K10+410右側(cè)邊坡，2016年5月底，該路邊坡開挖施工時(shí)，邊坡堆積體發(fā)生滑動(dòng)破壞，坡體上出現(xiàn)大量張拉裂縫，后進(jìn)一步勘察發(fā)現(xiàn)該路段位于灰?guī)r巖堆體上，屬骨架型巖堆，孤石塊徑2～6 m，巖堆總體積約20萬(wàn)m3，后初步估算增加處置費(fèi)用約430萬(wàn)元。

2.9 路線應(yīng)繞避地表巖溶發(fā)育密集區(qū)

地表巖溶發(fā)育密集區(qū)，往往代表地下巖溶發(fā)育強(qiáng)弱關(guān)系，因此在地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上，應(yīng)根據(jù)巖溶的具體發(fā)育特征及坡面位置，將路線移到巖溶發(fā)育程度相對(duì)輕微的地段上。

圖9 崇左至水口高速公路K48～K51段路線方案示意圖

如崇左至水口高速公路K48～K51段線位(圖9)，該段線位附近巖溶漏斗、漏水洞呈網(wǎng)狀密集分布，物探顯示路線K49+000及K49+550處經(jīng)過巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)，路基底部可能存在大型落水洞或溶洞，故將路線北移至地形較高處，位于兩負(fù)地形之間，同時(shí)適當(dāng)提高路面標(biāo)高，避免了深挖。

3 采用新技術(shù)進(jìn)行綜合地質(zhì)選線

隨著高速公路往山區(qū)延伸，部分巖溶區(qū)往往崇山峻嶺、地形陡峭、石山林立，懸崖絕壁比比皆是，在“無(wú)路、無(wú)人、無(wú)水、無(wú)信號(hào)”的客觀條件限制下，鉆探、物探等傳統(tǒng)技術(shù)手段實(shí)施起來十分困難，且對(duì)溶洞、地下水發(fā)育等探查效果不佳。因此，采用新技術(shù)對(duì)以上路段進(jìn)行工程地質(zhì)勘察迫在眉睫，近年來，隨著航拍技術(shù)發(fā)展，航空傾斜攝影測(cè)量技術(shù)能解決復(fù)雜地形地貌測(cè)繪、地表地物信息獲取等勘測(cè)難題，同時(shí)具有坐標(biāo)及位置準(zhǔn)確、成本低、工期短等優(yōu)點(diǎn)，在公路交通、地理測(cè)繪、地質(zhì)勘察等相關(guān)領(lǐng)域正逐步采用該技術(shù)解決難題。

崇左至水口高速公路引進(jìn)目前先進(jìn)的航空傾斜攝影測(cè)量、三維實(shí)景建模技術(shù)對(duì)“四無(wú)”條件下的上金特長(zhǎng)隧道進(jìn)行了數(shù)字化工程地質(zhì)填圖，構(gòu)建了三維實(shí)景建模，提取了巖層產(chǎn)狀、巖溶形狀與規(guī)模、節(jié)理裂隙等數(shù)據(jù)，對(duì)地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行了遙感解譯，并進(jìn)行了構(gòu)造分析(圖10)，最后結(jié)合工程地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)查的結(jié)果，推測(cè)地下巖溶發(fā)育規(guī)律與特征、地下水分育情況及運(yùn)移規(guī)律，為線路優(yōu)化提供依據(jù)。

圖10 上金隧道構(gòu)造解析圖

由航空傾斜攝影測(cè)量及三維實(shí)景建模結(jié)果可以看出：(1)該區(qū)域山崖上廳式溶洞、溶蝕現(xiàn)象明顯，山頂封閉洼地星羅棋布，隧道整體工程地質(zhì)條件均較差；(2)A線地表遇溶洞數(shù)量大于B線，A線隧道出口有巖堆，隧道洞口穩(wěn)定性比B線差；(3)A線離斷裂帶“人”字形谷地近，屬匯水區(qū)，水文地質(zhì)條件相比B線差；(4)A線所遇構(gòu)造帶要多于B線；(5)A線所遇巖溶洼地的比例為51.37%，B線為58.71%，A線匯水面積大于B線。綜上所述，雖然A線隧道長(zhǎng)度短，但地質(zhì)條件比B線差，故采用了B線方案并增設(shè)引水隧道。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)在巖溶地區(qū)公路建設(shè)中，巖溶地質(zhì)選線應(yīng)作為主導(dǎo)條件，同時(shí)要以路線整體為基準(zhǔn)，對(duì)局部進(jìn)行工程地質(zhì)比選，應(yīng)重視橋梁、隧道、高填深挖等重大工程的方案選擇。

(2)通過總結(jié)廣西高速公路建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，提出了巖溶區(qū)應(yīng)重視工程地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)查，線位應(yīng)避開可溶性巖與非可溶性巖的接觸帶、巖溶發(fā)育密集的斷層或褶皺核部等構(gòu)造帶、地下河流經(jīng)區(qū)、地表巖溶發(fā)育密集區(qū)、巖堆與危巖發(fā)育區(qū)及巖溶洼地與谷地等匯水區(qū)。若無(wú)法避開，則應(yīng)將線路移到地質(zhì)問題相對(duì)輕微的地段上。

(3)在廣西首次采用無(wú)人機(jī)航空傾斜攝影測(cè)量及三維實(shí)景建模技術(shù)對(duì)“無(wú)路、無(wú)人、無(wú)水、無(wú)信號(hào)”的路段進(jìn)行地質(zhì)勘察，為地質(zhì)選線提供依據(jù)。

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[3]李光偉.論巖溶區(qū)工程地質(zhì)勘察問題與地質(zhì)選線[J].鐵道勘察，2016(2)：12-15.

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